两光子晶体光纤激光器相干锁定的实验研究

利用自成像腔技术进行光子晶体光纤(PCF)激光器光束相干合成的实验研究,实现了两光子晶体光纤激光器的相位锁定.在不使用滤波器的情况下,实验仍能观测到清晰的下涉图样,且在高功率输出状态以及环境噪声情况下干涉图样仍可保持稳定,表明具有单模大模场特性的光子晶体光纤在实现光束相干合成方面比传统的双包层光纤(DCF)有明显的优越性.实验还表明耦合输出镜的反射率对相干输出功率有一定影响,当反射镜的反射率分别为5%,10%和15%时,两台激光器相干输出斜率效率分别为63.8%,61.6%和60.2%.在抽运功率为150 W和耦合输出镜的反射率为5%时,获得95.8 W的最大相干功率输出,相干功率合成效率为90.2%.实验中无任何热光效应产生,有望利用该方法获得更高的相干输出功率.     

掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析

建立了由掺Yb光纤激光器阵列、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的光束谱合成系统的光束传输模型.在考虑光栅角色散、光栅刻槽倾角误差和光栅衍射效率情况下,利用光线追迹法、衍射积分方法、光束非相干叠加原理和强度二阶矩方法,推导出高斯光束非平行倾斜入射到闪耀光栅的相位变化公式以及谱合成光束的光强分布解析表达式.分析了高斯光束非平行倾斜入射到光栅后,光栅角色散、光栅衍射效率和光栅刻槽倾角误差对掺Yb光纤激光器谱合成系统输出光束特性的影响.研究结果表明,谱合成光束具有与单根光纤激光器几乎相同的光束质量;光栅角色散对合成光束特性的影响可忽略;随着光栅刻槽倾角误差的增大,谱合成光束的光束质量明显变差;当光栅刻槽倾角误差较大时,必须考虑光栅衍射效率对合成光束特性的影响. 关键词： 掺Yb光纤激光器 非平行倾斜入射 光束谱合成 光束质量     

选频元件对光纤激光器自组织相干合成的影响

采用不同中心谱线、不同谱线宽度的选频元件进行实验,研究选频元件谱线特性对相干合成效率的影响。实验表明:选频元件中心谱线越接近,相干合成效率越高;与此同时,选频元件的谱线宽度越宽,线形越接近重合,相干合成效率也越高,接近理想值100%。在此基础上,利用中心谱线一致的宽谱选频元件,实现两路掺Er光纤激光器的相干合成,输出功率为375 mW,相干合成效率高达99.3%。     

二极管激光光栅-外腔光谱合成技术模拟研究

 光栅-外腔光谱合成效率主要由激光器和外腔的耦合效率决定。从衍射积分方程出发,建立了存在离轴像差情况下耦合效率模型,分析了光谱合成系统参数对耦合效率的影响。结果表明：当离轴距离增加、横模阶次增大、模场半径减小、阵列平面或光栅平面偏离焦平面时,耦合效率随之下降;光栅倾角和光栅平面-耦合输出镜距离对耦合效率影响甚微。对采用焦距为500 mm的对称双球面透镜,长度为10 mm二极管激光阵列的系统,快轴方向模场半径应大于0.15 mm, 慢轴方向模场半径应大于 20 μm, 阵列平面位置误差应控制在±0.5 mm内,光栅平面位置误差应控制在±0.2 mm内。     

谱线和耦合系数对光纤激光器相互注入锁定的影响

相互注入锁定是相干合成技术中最具发展前景的方案之一. 在两个光纤激光器相互注入锁定的基础上,利用可调节光纤光栅改变其中一个激光器的中心谱线和利用不同的分束器改变两个激光器间的耦合系数,同时监测两个激光器的远场光斑和谱线,判断激光器谱线和耦合系数对相互注入锁定的影响. 通过理论和实验得到：提高耦合系数可以提高锁定的频率差;两个激光器的谱线越接近锁定的效果越好,当激光器的谱线超过一定范围时,两个激光器将不能被锁定. 关键词： 光纤激光器 相干合成 相位锁定     

高斯反射率输出镜改善光束质量的实验研究

非稳腔能产生大体积基模,具有好的空间选模特性,但在固体调Q激光器中,由于孔径光阑和热畸变的影响,非稳腔输出的横模并不光滑.使用高斯反射率耦合输出镜可较好地改善其输出光束质量,设计了平-凸非稳腔,使用Nd:YAG,电光调Q固体激光器进行实验,获得了较为平滑的远场光强分布,实验结果表明高斯反射率输出镜可较好地改善固体激光器中非稳腔输出光束质量.     

1018 nm短波长掺镱光纤激光高功率自组织相干合成

搭建了两台高功率、低量子损耗的1018 nm短波长掺镱光纤激光器,进行了全光纤结构下两路光纤激光器的相干合成实验。获得了功率为55 W、合成效率为90.2%的相干输出,这是当前严格单模1018 nm光纤激光器的最高功率水平。同时,验证了Michelson腔自组织相干合成技术能够实现光纤激光器的高功率单模输出。     

飞秒光纤激光相干合成技术最新进展

飞秒光纤激光器具有平均功率高、散热性能佳、光束质量好和空间体积小等优势,在基础研究、工业加工、生物医疗等方面得到越来越广泛的应用.相干合成技术能够有效克服光纤中有害的非线性效应和热效应的影响,进一步提高飞秒光纤激光器输出的脉冲能量和平均功率.本文介绍高功率飞秒光纤激光器相干合成的基本技术路线,重点阐述相干合成技术中关于填充孔径相干合成与平铺孔径相干合成的最新研究进展,并详细介绍相干合成技术中不同类型主动相位锁定技术的基本原理.相信在不远的将来,飞秒光纤激光相干合成系统的单脉冲能量和平均功率将不断攀升,从而开创许多崭新的研究领域.     

基于公共环形腔耦合的光纤激光器相干合成技术

 为提高光纤激光器无源自调整相干合成阵列的效率、稳定性和可扩展性,提出了基于公共光纤环形腔耦合与单模光纤滤波的光纤激光器相干合成方案。将多个2×2的光纤耦合器分别插入各单元激光器的谐振腔,利用耦合器余下的端口,两两相连构成公共环形耦合腔。采用单模光纤滤波技术,提高了各输出激光束之间相位锁定的稳定性。利用该方案在实验上实现了三路光纤激光器的被动锁相输出,实验测得的远场干涉光斑、输出功率及光谱均表明该方案适于构建性能较好的光纤激光器相干合成阵列。     

激光器阵列的部分相干性对相干合成远场输出特性的影响

对于相干合成的光纤激光器阵列来说,如何定量的分析阵列的相干性对于评价阵列的性能具有极其重要的意义.文章推导了光纤激光器阵列部分相干合成远场强度分布的解析表达式,详细探讨了激光器阵列的部分相干性对相干合成远场图样分布、中心主瓣宽度、斯特列尔比、桶中功率的影响.最后采用主振荡并联放大器方案对三路掺镱光纤放大器进行实时相位探测与校正,实验给出了三路光纤放大器相干合成的结果. 关键词： 光纤激光器阵列 相干合成 相干度     

Volume Bragg grating stabilized spectrally narrow Tm fiber laser

A Tm-doped large mode area (LMA) silica fiber laser has been locked to a stable wavelength of 2,053.9 nm using a volume Bragg grating (VBG). The measured spectral width of the laser output was <300 pm, limited by the spectrometer resolution. Although this laser had modest output (approximately 5W) and slope efficiency (41%), this new approach to spectrally limiting the output of LMA fiber lasers is inherently extendable to kilowatt powers, opening up several applications including high-power pulsed fiber lasers and spectral beam combining. Performance characteristics of the laser compared to one using a dielectric mirror as a high reflector are described, and the results imply low VBG losses.     

外腔两束光纤激光频谱组束的实验研究

报道了外腔2个大模面积双包层Er3+/Yb3+共掺光纤激光器频谱组束的实验结果,获得了最大功率为0.80 W、组束效率高达82.5%的组束激光输出。演示和分析了光纤末端放置位置的改变、光栅的旋转对输出光谱和组束效率的影响,结果表明:当光纤末端距系统轴的位置超过某一定值时,输出光谱呈现多模;当光栅与水平面所成角度减小时,组束效率逐渐增大。     

大模面积双包层光纤激光频谱组束的实验效果

基于透射体布拉格光栅频谱组束的设计方案,采用半导体激光器作为泵浦源,以大模面积双包层Er3+/Yb3+共掺光纤为增益介质,报道了两束光纤激光频谱组束的实验结果。在两束光纤激光输出功率分别为0.39和0.53 W、光栅实际衍射效率不到60%的情况下,实现了组束功率为0.64 W、绝对组束效率高达69.6%的组束激光输出,并分析了实验过程中影响组束效率的因素。     

掺Yb3+双包层光纤激光器的数值分析

 对掺Yb³⁺双包层光纤激光器不同参数情况下的输出功率和增益分布进行了数值模拟，分析了一端泵浦和双端泵浦方式下输出特性的差异，激光沿光纤长度方向的分布，输出功率与光纤长度、腔镜反射率及泵浦功率的关系。结果显示：两端泵浦较一端泵浦增益更加平坦，输出功率也稍高；当泵浦光波长为975nm时，输出激光功率对光纤长度更为敏感，最佳光纤长度相对于泵浦光波长为915nm时短且转化效率高；在大功率长光纤的情况下，光纤有损耗时输出功率随输出腔镜反射率的增加单调地减小，无损耗时输出功率不随输出腔镜反射率变化。     

Optimization of Yb3+-doped double-clad fiber lasers using a new approximate analytical solution

We investigated the properties of continuous wave (CW) Yb³⁺-doped double-clad fiber lasers (DCFLs) with linear-cavities theoretically and numerically using the rate equations. Under steady-state conditions, a new approximate analytical solution for CW Yb³⁺-doped double-clad fiber lasers (DCFLs) with consideration of the scattering losses were deduced. Good agreement between the proposed solution and the numerical simulation was demonstrated. Compared with the known approximate solutions published in the literature, the proposed solution has a briefer expression, higher accuracy and wider scope of application, which extends the applicable range of the analytical result to low reflective feedback mirror configurations. The solution provides a clear physical understanding of the optimal design of the CW Yb³⁺-doped DCFLs and can be applied to different pump and output configurations. Using the proposed solution, the optimal design of the CW Yb³⁺-doped DCFLs was discussed. If cavity reflectivities are given in advance, the optimal fiber length is found to be independent of the pump power. When the pump power and reflectivity of the feedback end are known in advance, the results show that the optimal fiber length increases and the optimal reflectivity of output mirror decreases with increase in pump power. Furthermore, when the feedback mirror is highly reflective, there exists a certain tolerance of the optimal parameters, in which the conversion efficiency decreases only slightly. But the conversion efficiency is sensitive to reflectivity of output mirror if feedback mirror has low reflectivity.     

体布拉格光栅用于高功率光谱组束的研究

使用透射型体布拉格光栅组束两束光纤激光,实现了856 W光谱组束输出。总的光谱组束效率为73.7%,组束光束的横向质量因子为7.9,纵向质量因子为2.7。研究结果显示,虽然体光栅的角色散严重影响衍射光束的光束质量,但其并不影响透射光束的光束特性。由于当前宽谱光纤激光器的输出功率远大于窄线宽输出,使用宽谱光纤激光器(光谱带宽超过4nm)作为透射光束,能够在不降低组束效率和组束光束质量的前提下,有效提升使用体布拉格光栅进行光谱组束的总输出功率。     

Spectral beam combining of fiber lasers based on a transmitting volume Bragg grating

Based on the principle of spectral beam combining using a transmitting volume Bragg grating, a simple experimental setup was designed, in which an approach to control the incidence angles of beams using a focusing lens is presented. The experimental results for the spectral beam combining of two fiber lasers are reported. The gain media used in this experiment were large-mode area Er³⁺/Yb³⁺ co-doped double-clad fibers, pumped by semiconductor lasers. The output powers of the two fiber lasers were 0.39 and 0.53 W, respectively. With a grating diffraction efficiency of about 60%, a maximum combined power of 0.64 W with an absolute combining efficiency of about 69.6% was achieved.     

Optimization of linear cavity design of Yb-doped double-clad fiber laser

The output characteristics of a linear cavity Yb-doped double-clad fiber (DCF) laser, including the effects of fiber length, fiber loss, and output mirror reflectivity on laser output power and threshold pump power have been studied theoretically and experimentally. In this paper, the linear cavity of double-clad fiber laser (DCFL) was composed of a pair of fiber Bragg gratings, while the facet of fiber was anti-reflection (AR) coated at 1070nm to erase the Fresnel reflection. Analysis showed that the laser output increases as the reflectivity of the fiber Bragg grating used as the output mirror decreases. At last, under the pump power of 14.4 W, single-mode laser output at 1070 nm was up to 10.8 W, with slope efficiency of 75 %.     

1 444 nm Nd:YAG激光输出效率的理论分析

从激光晶体能级结构出发,利用速率方程,分析了Nd:YAG激光系统的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE)和激发态吸收(Excited State Absorption,ESA)对激光输出的影响.介绍了输出耦合及抽运和热效应对1 444 nm激光输出的影响.在反射率为0.80～0.95之间,输出耦合对输出效率影响不明显.